学子风采

中国矿大2013级本科生在Advanced Materials发表高水平论文

发布时间:2017-12-12浏览次数:12

近日,中国矿业大学能源、材料与物理学部材料科学与工程学院锂离子电池实验室在新型高性能钾离子二次电池负极材料研究领域获得重要进展。论文以Enhanced  Capacity and Rate Capability of Nitrogen/Oxygen Dual-Doped Hard Carbon in  Capacitive Potassium Ion Storage为题在线发表在材料领域国际顶级期刊Advanced  Materials,  2017,DOI: 10.1002/adma.201700104(影响因子:19.791。文章的第一作者是材料科学与工程学院2013级本科生杨进林(目前为新加坡国立大学一年级博士研究生,全额奖学金获得者),通讯作者是中国矿业大学材料科学与工程学院鞠治成副教授和山东大学熊胜林教授。

目前,由于传统能源材料的快速消耗,发展低成本、高比容量、高倍率性能和长循环性能的能源储存技术迫在眉睫。但是锂离子电池的广泛应用导致锂储量不足,加之锂在全球分布不均导致锂离子电池的成本逐年升高。因此,发展储量更丰富的替代性金属离子电池比如钠离子电池、钾离子电池等引起了科研工作者的广泛关注。在有机电解液体系中(比如PC体系),与锂、钠等碱金属相比,金属钾具有最低的氧化还原电势,这有利于拓宽电化学电压工作区间,并且更具安全性。特别是丰富的钾储量、较宽的电压工作区间、相对较高的比容量以及快速的扩散动力学特性使得钾离子电池成为下一代能源储存体系的有力竞争者,但如何同时提高钾离子负极材料的比容量和倍率性能是一个难题。

中国矿业大学材料科学与工程学院锂离子电池实验室鞠治成副教授与山东大学熊胜林教授课题组合作,针对上述问题采用一种铝基金属有机骨架材料(NH2-MIL-101(Al))作为前驱体,通过简单的碳化和酸洗方法制备出具有高比表面积(~1030  m2/g)、氮氧双掺杂的分级多孔硬碳材料(NOHPHC)。电化学测试结果表明,该电极材料在25  mA/g3000  mA/g下分别具备365  mAh/g118  mAh/g的高比容量;在1050  mA/g的大电流循环充放电1100圈以后,容量保留率达69.5%;其电化学性能远远优于商业化硬碳在钾离子电池中的应用。

铝基MOF衍生氮氧双掺杂多孔硬碳制备路线图

通过定性及定量探究扩散控制机理和表面电容控制机理对电化学性能的贡献表明,该电极材料在储能过程中体现出混合控制机制,其中表面电容控制占主要贡献。特别是借助非原位XPSEDXTEM测试结果证明其储钾机理:在放电过程中钾离子首先穿过孔道嵌入到石墨层间,随着电压的降低,钾离子在低电压区实现了孔隙的填充和金属团簇的形成。与此同时,作者还探究了不同粘结剂对电极材料库伦效率的影响,并进一步采用预钾化处理技术将电极材料的首周库伦效率提高到90.5%,为钾离子负极材料甚至是安全性高的钾金属负极设计提供了一条新途径。

近年来,中国矿业大学材料学院新能源方向在新型碳材料构筑与电化学储能研究领域及煤基炭材料储能应用方面进行了系统研究,取得了一些列重要研究成果。目前已在多种国际知名刊物发表多篇研究论文,获得了国内外研究者的广泛关注和评价,相关研究得到国家自然科学基金、中国矿业大学学科前沿科学研究专项重点项目、中国矿业大学材料学科前沿专项等支持。

新闻来源:中国矿业大学新闻网